軟骨細(xì)胞生物鐘紊亂與骨關(guān)節(jié)炎

陳穎穎 李冬霞 杜夢夢 胡琪 何春曉 陶慶文

【摘 要】 骨關(guān)節(jié)炎是一種慢性關(guān)節(jié)病，我國患病人數(shù)高達(dá)1.5億左右。近年來研究發(fā)現(xiàn)，軟骨細(xì)胞中存在生物鐘基因，其表達(dá)的生物鐘蛋白受晝夜節(jié)律的控制，軟骨細(xì)胞生物鐘紊亂與骨關(guān)節(jié)炎存在相關(guān)性。通過檢索PubMed和中國知網(wǎng)（CNKI）數(shù)據(jù)庫2008年至2018年與軟骨細(xì)胞生物鐘相關(guān)的文獻(xiàn)，歸納軟骨細(xì)胞生物鐘與骨關(guān)節(jié)炎的關(guān)系，為骨關(guān)節(jié)炎的治療提供新思路。

【關(guān)鍵詞】 骨關(guān)節(jié)炎；軟骨細(xì)胞；生物鐘；紊亂

骨關(guān)節(jié)炎（osteoarthritis，OA）是一種退行性關(guān)節(jié)病，主要表現(xiàn)為關(guān)節(jié)的僵硬、疼痛，嚴(yán)重者可伴功能障礙甚至畸形。OA患病率與年齡呈正相關(guān)，隨著人口老齡化的加重，OA人數(shù)亦逐年增加[1]。軟骨變性是OA最基本的病理改變，鏡檢可見軟骨細(xì)胞結(jié)構(gòu)紊亂，細(xì)胞數(shù)量減少，軟骨撕裂或者纖維化，潰瘍面可被結(jié)締組織或纖維軟骨覆蓋及新生血管入侵，最終全層軟骨消失。既往研究發(fā)現(xiàn)，軟骨病理改變所涉及的通路主要有NF-κB通路、AHR通路、cAMP/PKA通路、MAPK通路、NPAS2-Adcy1通路等[2-8]。近年來研究發(fā)現(xiàn)，軟骨細(xì)胞中存在生物鐘基因，該基因表達(dá)的生物鐘蛋白可以調(diào)控“休息時軟骨修復(fù)”與“運(yùn)動時軟骨磨損”之間的平衡。該生物鐘基因的表達(dá)受晝夜節(jié)律的影響，當(dāng)生物鐘基因表達(dá)出現(xiàn)紊亂時，軟骨的磨損與修復(fù)之間失衡，從而出現(xiàn)OA表現(xiàn)[9]。與生物鐘相關(guān)的通路包含PI3K/AKT/mTOR信號通路及PI3K/PTEN/mTOR信號通路。本文通過檢索PubMed和中國知網(wǎng)（CNKI）數(shù)據(jù)庫中近10年的文獻(xiàn)，歸納總結(jié)軟骨細(xì)胞生物鐘紊亂與OA的關(guān)系，闡明軟骨細(xì)胞生物鐘的作用機(jī)制，旨在深入理解OA的發(fā)病及進(jìn)展，為OA的治療提出新的思路。

1 生物鐘系統(tǒng)

現(xiàn)代研究表明，生物鐘廣泛存在于哺乳動物的各個器官與組織中，使生物體可以更好地與自然界的節(jié)律性相通應(yīng)，具有重要的生物學(xué)意義[10]。哺乳動物的生物鐘由母鐘和子鐘構(gòu)成，母鐘存在于下丘腦視交叉上核（SCN），子鐘位于各外周組織中[11-13]。哺乳動物的生物鐘母鐘系統(tǒng)主要是由2個連鎖的轉(zhuǎn)錄/翻譯環(huán)路組成，調(diào)節(jié)這個轉(zhuǎn)錄/翻譯環(huán)路功能的主要有4種生物鐘蛋白，分別是起激活作用的CLOCK和BMAL1蛋白，起抑制作用的PER和CRY蛋白[14]。除了這個大環(huán)路之外，還有一些小的環(huán)路也一起參與調(diào)節(jié)，哺乳動物機(jī)體內(nèi)存在CLOCK、BMAL1、PER、CRY 4種基因，這4種基因會對應(yīng)表達(dá)CLOCK、BMAL1、PER、CRY 4種蛋白[15-16]。

在一天開始之時，PER和CRY 2種蛋白的含量比較低，BMAL1/CLOCK復(fù)合物則會激活PER和CRY基因上游的E-box元件序列，正向調(diào)控PER和CRY基因，使得表達(dá)的PER和CRY蛋白量增加，大量增加的PER和CRY會在細(xì)胞核內(nèi)積累，形成同二聚體或者異二聚體，該聚合物的產(chǎn)生可以反向抑制BMAL1/CLOCK二聚體的功能，同時使得BMAL1和CLOCK蛋白表達(dá)減少，對PER和CRY基因的激活也減少，所以PER和CRY蛋白量也會降低。與此同時，由于PER和CRY的減少，使得BMAL1/CLOCK復(fù)合物的激活功能又慢慢變強(qiáng)，這就開始了在夜里的生物鐘循環(huán)，如此便完成了一天的鐘蛋白節(jié)律循環(huán)[17]。除了這個核心的生物鐘節(jié)律循環(huán)調(diào)節(jié)通路之外，小循環(huán)也存在。小循環(huán)主要是調(diào)控BMAL1蛋白的表達(dá)。參與小循環(huán)的基因主要有Rorα、Rorβ和Rev-erb 3種。其中，Rorα和Rorβ基因分別表達(dá)RORA和RORB 2種蛋白，兩者對BMAL1基因有正反饋調(diào)節(jié)，能夠增加BMAL1蛋白的量，Rev-erb的蛋白產(chǎn)物是REV-ERB，對BMAL1基因有負(fù)反饋調(diào)節(jié)[18-19]。生物鐘信號通路圖見圖1。

2 軟骨細(xì)胞生物鐘異常與OA的關(guān)系

軟骨細(xì)胞生物鐘是在母鐘之下的子鐘，位于軟骨細(xì)胞內(nèi)，調(diào)控軟骨細(xì)胞的生物節(jié)律。正常情況下，軟骨細(xì)胞生物鐘節(jié)律穩(wěn)定，鐘蛋白表達(dá)量正常，可以調(diào)控“休息時軟骨修復(fù)”與“運(yùn)動時軟骨磨損”之間的平衡。病理情況下，該平衡出現(xiàn)紊亂，運(yùn)動時出現(xiàn)的軟骨磨損不能及時修復(fù)，從而引發(fā)OA[2，9，20]。軟骨細(xì)胞生物鐘受晝夜節(jié)律的影響，呈現(xiàn)規(guī)律性變化。臨床上，很多OA患者的疼痛表現(xiàn)會在一天中特定時間加重，這種規(guī)律的變化與軟骨細(xì)胞生物鐘受晝夜影響規(guī)律變化具有一致性。

軟骨細(xì)胞生物鐘組成以及運(yùn)行方式與生物鐘系統(tǒng)相同，也是由大小2個循環(huán)組成，大循環(huán)包括起激活作用的CLOCK和BMAL1蛋白，起抑制作用的PER和CRY蛋白，小循環(huán)由Rorα、Rorβ和Rev-erb 3種基因及其表達(dá)的蛋白構(gòu)成。在發(fā)生OA的時候，代表軟骨細(xì)胞生物鐘的基因及蛋白表達(dá)量會出現(xiàn)異常情況。

在人類軟骨細(xì)胞生物鐘蛋白檢測中，取OA患者關(guān)節(jié)置換的膝軟骨行Western blot檢測BMAL1蛋白表達(dá)含量，發(fā)現(xiàn)OA患者關(guān)節(jié)軟骨存在BMAL1蛋白表達(dá)量減少的情況[16]。在動物實驗中發(fā)現(xiàn)，改變動物生活的晝夜節(jié)律，會導(dǎo)致膝OA的發(fā)病率增高[20-21]。生物鐘小循環(huán)在OA患者中也會出現(xiàn)紊亂，主要體現(xiàn)在REV-ERB蛋白的表達(dá)增多上，因其對BMAL1蛋白的抑制作用，間接降低鐘蛋白的表達(dá)量，使得生物鐘紊亂[22]。

OA患者軟骨細(xì)胞生物鐘受調(diào)控的方式有很多種，多為信號通路對其進(jìn)行調(diào)控，然而目前對于軟骨細(xì)胞生物鐘信號通路的相關(guān)研究文獻(xiàn)較少。與生物鐘相關(guān)的通路有2條，一條為PI3K/AKT/mTOR信號通路，另一條為PI3K/PTEN/mTOR信號通路，這2條信號通路均屬于mTOR信號通路。mTOR為哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mTOR），該蛋白是細(xì)胞內(nèi)一類絲/蘇氨酸蛋白激酶，其在細(xì)胞內(nèi)有2種不同的復(fù)合物，分別是mTORC1（mTOR complex1）和mTORC2（mTOR complex2），兩者能夠接受和整合細(xì)胞內(nèi)外各種刺激[23]。由兩者介導(dǎo)的信號通路能夠?qū)芏嗉膊∑鹫{(diào)控作用，例如腫瘤、衰老、免疫相關(guān)疾病。同時該通路對生物鐘系統(tǒng)也會產(chǎn)生影響，目前來看，該通路對生物鐘產(chǎn)生影響的具體原因并不清楚；但從相關(guān)實驗中可以發(fā)現(xiàn)，該通路對生物鐘系統(tǒng)來說呈負(fù)相關(guān)[3]。

PI3K/AKT/mTOR信號通路激活后，可以影響軟骨細(xì)胞生物鐘蛋白的表達(dá)，在OA患者中多見該通路被激活，同時BMAL1蛋白量的表達(dá)降低，該通路與BMAL1鐘蛋白的表達(dá)呈負(fù)相關(guān)。在使用該通路的阻斷劑雷帕霉素之后，可檢測到生物鐘蛋白表達(dá)上調(diào)；但該通路對生物鐘調(diào)控的具體機(jī)制目前尚不清楚[24]。有研究認(rèn)為，PI3K/AKT/mTOR信號通路下游的直接底物為S6K1和4E-BP，同時BMAL1蛋白是S6K1的底物[24-25]，可將PI3K/AKT/mTOR信號通路與生物鐘相聯(lián)系。

除PI3K/AKT/mTOR信號通路外，PI3K/PTEN/mTOR信號通路也與生物鐘表達(dá)相關(guān)。PTEN是一個控制PI3K信號的關(guān)鍵分子，該分子能夠促進(jìn)PIP2轉(zhuǎn)換成PIP3，而PI3K正是通過磷酸化PIP3方可進(jìn)行后續(xù)信號通路的轉(zhuǎn)導(dǎo)。很多疾病都與PTEN相關(guān)，該基因能夠負(fù)向調(diào)控PI3K下游的成員，包括AKT和mTOR，同時PTEN可以導(dǎo)致BMAL1蛋白積累，在OA患者中可見PETN減少的情況[26]。

3 展 望

OA是一種關(guān)節(jié)退行性病變，現(xiàn)代研究表明，OA的發(fā)展伴隨著軟骨細(xì)胞生物鐘的紊亂，軟骨細(xì)胞生物鐘運(yùn)行機(jī)制中，最經(jīng)典的模式為2個連鎖的轉(zhuǎn)錄/翻譯環(huán)路，包括4種生物鐘基因，其中對生物鐘起激活作用的有BMAL1和CLOCK基因，對生物鐘起抑制作用的有PER和CRY基因。在OA患者的軟骨細(xì)胞中可見BMAL1基因表達(dá)下調(diào)，這為OA發(fā)病機(jī)制提供了新的理論基礎(chǔ)。

目前，研究多集中在軟骨細(xì)胞生物鐘的組成及運(yùn)行機(jī)制探索上，但對于該機(jī)制的上游通路研究較少。目前所涉及的通路主要有PI3K/AKT/mTOR和PI3K/PTEN/mTOR通路，PI3K/AKT/mTOR通路激活可以降低BMAL1蛋白的表達(dá)量，PI3K/PTEN/mTOR通路中，PTEN減少可以導(dǎo)致BMAL1蛋白的減少。但兩者具體起效機(jī)制并不詳盡，這也可以作為以后的研究方向。同時除這2條通路之外，是否還有其他的通路，也是未來可以研究的內(nèi)容。

基于軟骨細(xì)胞生物鐘紊亂這一發(fā)病機(jī)制，為OA的治療提供了新的思路，即改變軟骨細(xì)胞生物鐘調(diào)節(jié)OA。西藥治療方面，目前尚無療效確切、作用靶點(diǎn)直接在軟骨細(xì)胞生物鐘信號通路的藥物。在中藥治療方面，目前也無確切改善軟骨細(xì)胞生物鐘的藥物，但是從中藥的治病機(jī)制來看，很多中藥是靠維持身體的動態(tài)平衡起效，如補(bǔ)腎中藥通過補(bǔ)腎維持身體“生、長、狀、老、矣”的過程。但維持動態(tài)平衡和生物鐘本身是否具有相關(guān)性，依舊是值得探討的問題。在以后的研究中，哪些藥物可以通過調(diào)節(jié)軟骨細(xì)胞生物鐘來調(diào)控OA，可以作為未來探索與研究的方向。

4 參考文獻(xiàn)

[1] 中華中醫(yī)藥學(xué)會.骨性關(guān)節(jié)炎[J].風(fēng)濕病與關(guān)節(jié)炎，2013，2（2）：71-72.

[2] GUO B，YANG N，BORYSIEWICZ E，et al.Catabolic cytokines disrupt the circadian clock and the expression of clock-controlled genes in cartilage via an NF κB-dependent pathway[J].Osteoarthritis Cartilage，2015，23（11）：1981-1988.

[3] KHAPRE RV，KONDRATOVA AA，SONAL P，et al.BMAL1-dependent regulation of the mTOR signaling pathway delays aging[J].Aging（Albany NY），2014，6（1）：48-57.

[4] CARAM?S B，HASEGAWA A，TANIGUCHI N，et al.Autophagy activation by rapamycin reduces severity of experimentaloste oarthritis[J].Ann Rheum Dis，2012，71（4）：575-581.

[5] SHIMBA S，WATABE Y.Crosstalk between the AHR signaling pathway and circadian rhythm[J].Biochem Pharmacol，2009，77（4）：560-565.

[6] HAO H，ZAK DE，SAUTER T，et al.Modeling the VPAC2-activated cAMP/PKA signaling pathway：from receptor to circadian clock gene induction[J].Biophys J，2006，90（5）：1560-1571.

[7] ARIMA H，HOUSE SB，GAINER H，et al.Neuronal activity is required for the circadian rhythm of vasopressin gene transcription in the suprachiasmatic nucleus in vitro[J].Endocrinology，2002，143（11）：4165-4171.

[8] HWANG CK，CHAURASIA SS，JACKSON CR，et al.Circadian rhythm of contrast sensitivity is regulated by a dopamine-neuronal PAS-domain protein 2-adenylyl cyclase 1 signaling pathway in retinal ganglioncells[J].J Neurosci，2013，33（38）：14989-14997.

[9] GOSSAN N，BOOT-HANDFORD R，MENG QJ.Ageing and osteoarthritis：a circadian rhythm connection[J].Biogerontology，2015，16（2）：209-219.

[10] PARTCH CL，GREEN CB，TAKAHASHI JS.Molecular Architecture of the Mammalian Circadian Clock[J].Trends in Cell Biology，2014，24（2）：90-99.

[11] WU T，JIN Y，NI Y，et al.Effects of light cues on re-entrainment of the food-dominated peripheral clocks in mammals[J].Gene，2008，419（1-2）：27-34.

[12] BUHR ED，TAKAHASHI JS.Molecular Components of the Mammalian Circadian Clock[J].Springer Berlin Heidelberg，2013，2（217）：R271-R277.

[13] MOHAWK JA，TAKAHASHI JS.Cell autonomy and synchrony of suprachiasmatic nucleus circadian oscillators[J].Trends in Neurosciences，2011，34（7）：349-358.

[14] HUANG N，CHELLIAH Y，SHAN Y，et al.Crystal Structure of the Heterodimeric CLOCK：BMAL1 Transcriptional Activator Complex[J].Science，2012，337（6091）：189-194.

[15] GOSSAN N，ZEEF L，HENSMAN J，et al.The circadian clock in murine chondrocytes regulates genes controlling key aspects of cartilage homeostasis[J].Arthritis Rheum，2013，65（9）：2334-2345.

[16] DUDEK M，GOSSAN N，YANG N，et al.The chondrocyte clock gene Bmal1 controls cartilage homeostasis and integrity[J].J Clin Invest，2016，126（1）：365-376.

[17] LEE C，ETCHEGARAY JP，CAGAMPANG FR，et al.Posttranslational mechanisms regulate the mammalian circadian clock[J].Cell，2001，107（7）：855-867.

[18] SATO TK，PANDA S，MIRAGLIA LJ，et al.A Functional Genomics Strategy Reveals Rora as a Component of the Mammalian Circadian Clock[J].Neuron，2004，43（4）：527-537.

[19] PREITNER N，DAMIOLA F，LOPEZ-MOLINA L，et al.The orphan nuclear receptor REV-ERBalpha controls circadian transcription within the positive limb of the mammalian circadian oscillator[J].Cell，2002，110（2）：251-260.

[20] KC R，LI X，VOIGT RM，et al.Environmental disruption of circadian rhythm predisposes mice to osteoarthritis-like changes in knee joint[J].J Cell Physiol，2015，230（9）：2174-2183.

[21] KC R，LI X，F(xiàn)ORSYTH CB，et al.Osteoarthritis-like pathologic changes in the knee joint induced by environmental disruption of circadian rhythms is potentiated by a high-fat diet[J].Sci Rep，2015（5）：16896.

[22] LEE J，LEE S，CHUNG S，et al.Identification of a novel circadian clock modulator controlling BMAL1 expression through a ROR/REV-ERB-response element-dependent mechanism[J].Biochem Biophys Res Commun，2015，469（3）：580-586.

[23] HUANG K，F(xiàn)INGAR DC.Growing knowledge of the mTOR signaling network[J].Semin Cell Dev Biol，2014（36）：79-90.

[24] ALAYEV A，DOUBLEDAY PF，BERGER SM，et al.Phosphoproteomics reveals resveratrol-dependent inhibition of Akt/mTORC1/S6K1 signaling[J].J Proteome Res，2014，13（12）：5734-5742.

[25] LIPTON JO，YUAN ED，BOYLE LM，et al.The Circadian Protein BMAL1 Regulates Translation in Response to S6K1-Mediated Phosphorylation[J].Cell，2015，161（5）：1138-1151.

[26] MATSUMOTO CS，ALMEIDA LO，GUIMAR?ES DM，et al.PI3K-PTEN dysregulation leads to mTOR-driven upregulation of the core clock gene BMAL1 in normal and malignant epithelial cells[J].Oncotarget，2016，7（27）：42393-42407.

收稿日期：2018-08-11；修回日期：2018-10-12